許 巧 平

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

蔗糖溶液旋光率相關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)研究

許 巧 平

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器及舊儀器的零部件加以改裝, 自組光路，通過控制變量的方法，改變?nèi)芤簻囟燃叭肷涔獠ㄩL(zhǎng)，探究了它們對(duì)蔗糖溶液旋光率的影響。

旋光現(xiàn)象；旋光率；蔗糖溶液；溫度；波長(zhǎng)

光的偏振現(xiàn)象是判斷光是一種橫波的重要依據(jù)。為了加深對(duì)偏振概念的理解,目前各高等院校普遍開設(shè)“用旋光計(jì)測(cè)定糖溶液的濃度“這一實(shí)驗(yàn),采用的儀器是旋光儀[1-3]。該實(shí)驗(yàn)盡管操作容易,但在教學(xué)中卻存在以下幾種弊端∶1)旋光儀的起偏和檢偏裝置被封裝在儀器內(nèi),不能直觀，不利于學(xué)生對(duì)偏振光測(cè)量原理的理解。2)測(cè)量物質(zhì)旋光度時(shí)，利用半蔭法判斷三分視場(chǎng)的弱照度相等位置判斷僅僅是靠人眼來實(shí)現(xiàn)的,由于人眼的局限性及個(gè)體差異的影響,判斷不很準(zhǔn)確。3）測(cè)量?jī)?nèi)容單一：只能利用鈉光燈這一波長(zhǎng)的光對(duì)物質(zhì)旋光率進(jìn)行測(cè)量。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度, 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,提高教學(xué)效果，我們?cè)谠械膶?shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了水浴控溫裝置，改變待測(cè)物質(zhì)的溫度，定量的研究了溫度對(duì)物質(zhì)旋光率的影響；另利用舊儀器零部件自行組裝光路，用不同波長(zhǎng)的光對(duì)蔗糖溶液旋光率的進(jìn)行了測(cè)量；研究了蔗糖溶液的旋光率與溫度及波長(zhǎng)等相關(guān)因素之間的關(guān)系。

1 測(cè)量原理

實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)某一旋光溶液，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)給定時(shí)，旋光度θ與偏振光通過溶液的長(zhǎng)度l及溶液的濃度c成正比,即[4-6]

式中旋光度θ的單位是度；偏振光通過溶液的長(zhǎng)度l的單位是分米（dm）;溶液濃度的單位為克每毫升或克每立方厘米（g·mL-1或 g.cm-3），是該物質(zhì)的旋光率,表示物質(zhì)的旋光本領(lǐng),它等于光在該物質(zhì)中通過單位長(zhǎng)度和單位濃度的溶液后引起的振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度，其單位為∶°·mL·dm-1·g-1。由于測(cè)量時(shí)的溫度及入射光波長(zhǎng)對(duì)物質(zhì)的旋光率都有影響，因而，應(yīng)標(biāo)明測(cè)量旋光率時(shí)所用的波長(zhǎng)及測(cè)量時(shí)的溫度。由 (1)式可知，旋光性溶液的旋光率為如果已知待測(cè)溶液濃度c和液柱長(zhǎng)度l,只要知道旋光度θ就可以通過上式計(jì)算出旋光率；同樣,如果已知待測(cè)溶液旋光率α和液柱長(zhǎng)度 l,可以測(cè)量旋光性溶液的旋光度θ,確定未知濃度溶液的濃度c。

2 測(cè)量?jī)?nèi)容

2.1 旋光率與波長(zhǎng)的關(guān)系

1）實(shí)驗(yàn)裝置

圖1中,高壓汞燈經(jīng)濾色片變成單色光，光源輸出的光經(jīng)檢偏器后的線偏振光的電場(chǎng)振幅為A,線偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器的透振方向互成θ角,那么沿檢偏器的透振方向振幅分量為 A cosθ,透射光強(qiáng)為[3]。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)讀度盤手輪（連動(dòng)檢偏器）時(shí),在光電探測(cè)器中會(huì)出現(xiàn)消光現(xiàn)象，數(shù)字檢流計(jì)上電流值應(yīng)為零或出現(xiàn)最小值。記下此時(shí)讀盤及游標(biāo)的讀數(shù)即零點(diǎn)位置。在檢偏器前加入蔗糖溶液后,由于蔗糖溶液具有旋光性,再次轉(zhuǎn)動(dòng)檢器時(shí),直至再次出現(xiàn)消光現(xiàn)象。

圖1 測(cè)定不同波長(zhǎng)的光入射時(shí)蔗糖溶液的旋光率裝置圖Fig.1 Device for measuring rotation rate of sucrose solution at different wavelengths of light

記下讀盤讀數(shù)兩次讀數(shù)之差即為蔗糖溶液的旋光度θ。由上述測(cè)量原理可知,旋光度θ與所通過旋光性物質(zhì)的厚度l成正比,與溶液的質(zhì)量濃度c成正比,即由 公式(1)得

由式（2）可知,若蔗糖溶液的旋光率已測(cè)出,只要再測(cè)出未知蔗糖溶液的旋光度和液柱長(zhǎng),即可算出未知蔗糖溶液的質(zhì)量濃度 c。由(3)式可知，用濃度、長(zhǎng)度恒定的待測(cè)溶液，旋光率正比于旋光度。通過改變光源的波長(zhǎng)，得出旋光度與波長(zhǎng)的關(guān)系即可得到旋光率與波長(zhǎng)的關(guān)系。

2）實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟

（1）配制蔗糖溶液。在室溫(t=21.00 ℃)下,用電子分析天平配制質(zhì)量濃度c=0.10 g/cm3的蔗糖溶液,裝入長(zhǎng)l=2 dm的標(biāo)準(zhǔn)玻璃試管中。注意試管兩端的螺旋不能旋得太緊,一般以隨手旋緊不漏水為止，以免保護(hù)片產(chǎn)生應(yīng)力而引起視場(chǎng)亮度的變化，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。最后將兩端殘液擦干凈。

（2）將光源汞燈(帶有不同波長(zhǎng)的濾色片)、待用支架、起檢偏器、及帶有檢偏器的度盤手輪（從舊儀器上卸下）及游標(biāo)、光電探測(cè)器、數(shù)字檢流計(jì)等按圖1所示位置擺放在光具座上,將控硅光電池專用線與數(shù)字檢流計(jì)相連。調(diào)節(jié)各光學(xué)元件共軸等。用 T形輔助棒依次檢查并調(diào)整各光學(xué)元件,使各元件的中心大致在同一直線上，使光束垂直通過起偏器、檢偏器的光學(xué)面以及光強(qiáng)探測(cè)器的接收面積中心，具體調(diào)節(jié)可參閱文獻(xiàn)[7]。

（3）打開數(shù)字檢流計(jì)，WJF 型數(shù)字式檢流計(jì)示在(0.04～19.99)×10-7A變化,此時(shí)光電池的輸出電流隨光強(qiáng)變化的線性度最好[7]，使未放樣品時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使得出現(xiàn)消光穩(wěn)定后（數(shù)字檢流計(jì)的示數(shù)最小時(shí)）記下度盤及游標(biāo)（左右）示數(shù)1θ、'1θ。

（4）保持各光學(xué)元件不動(dòng)，在檢偏器前加入已配制好的蔗糖溶液，重新轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,再次得到透射光消光位置的度數(shù)θ2、 θ2'。測(cè)量結(jié)果見表1，代入公式計(jì)算旋光率α=72.05°·mL/(dm·g)。

表1 波長(zhǎng)為546 nm光入射蔗糖溶液測(cè)得旋光度Table 1 Rotation rate of sucrose solution at wavelengths of 546 nm

（5）換取不同波長(zhǎng)的濾色片可獲得λ= 546nm的單色光 λ= 577nm及用激光直接作為入射光。分別測(cè)量，可得不同波長(zhǎng)的光入射時(shí)蔗糖溶液的旋光率，測(cè)量結(jié)果見表2。

小結(jié)：應(yīng)用最小二乘法對(duì)表 2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，旋光率與光源波長(zhǎng)之間的關(guān)系式為

線性相關(guān)系數(shù)r=0.9932。由此可見蔗糖溶液的旋光率與波長(zhǎng)的平方成反比。

2.2 溫度對(duì)蔗糖溶液旋光率的影響

1）實(shí)驗(yàn)儀器與用品WXG-4圓盤旋光儀，快速電熱水壺，試管，濃度不同的蔗糖溶液等。

2）實(shí)驗(yàn)主要過程

對(duì)不同濃度的蔗糖溶液，通過水浴加熱的方法，分別測(cè)量不同溫度時(shí)溶液對(duì)應(yīng)的旋光度，記錄并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的旋光率。

表2 不同波長(zhǎng)光入射蔗糖溶液的旋光率Table 2 Rotation rate of sucrose solution with different light

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過、冰水混合、水浴加熱的辦法，對(duì)濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%(g/mL)的蔗糖溶液進(jìn)行加熱，試管長(zhǎng)度為20 dm，在不同溫度下測(cè)其旋光度，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果并不明顯，旋光度變化很小或基本無變化。如果用濃度為50%(g/mL)的蔗糖溶液,試管長(zhǎng)度為20 dm，在不同溫度t下進(jìn)行測(cè)量，得到蔗糖溶液的旋光率見表3。

表3 不同溫度蔗糖溶液的旋光率Table 3 Rotation rate of sucrose solution at the different temperatures

小結(jié)：由表3數(shù)據(jù)看出，溫度對(duì)蔗糖溶液旋光率有效影響范圍是大概15 ℃到65 ℃，在此間范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，蔗糖溶液旋光率大約下降α=0.02(°·mL·dm-1·g-1)；在1 ℃到15 ℃之間溫度變化對(duì)物質(zhì)旋光率影響并無規(guī)律，也不明顯；在65 ℃到85 ℃之間時(shí)，觀察不到溫度變化對(duì)物質(zhì)旋光率的影響。

3 結(jié) 語

1）利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器自行設(shè)計(jì)光路，原理簡(jiǎn)單,光路便于調(diào)節(jié),測(cè)量準(zhǔn)確度較高。

2）在暗室中可以清晰地觀察到激光在蔗糖溶液中旋光現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

3）在用濾波片獲取照度較弱的單色光做光源時(shí)，采用光電接收器及數(shù)字檢流計(jì)來判斷消光位置，避免了實(shí)驗(yàn)者視覺的個(gè)體差異，提高了讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

4）該實(shí)驗(yàn)得出了一定濃度的糖溶液旋光率隨溫度(一定范圍內(nèi))升高而略有增大；而與入射光波長(zhǎng)的平方近似成反比關(guān)系。

5） 此實(shí)驗(yàn)方法對(duì)研究各種具有旋光特性固體、液體等物質(zhì)的旋光特性都適用,且對(duì)旋光實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

6）實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意在布置光路時(shí)，為防止光強(qiáng)耗散，盡量縮短各元件之間的距離。

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圖4 不同溫度下熱處理所得粉體的XRD圖Fig.4 XRD pattern of the powder treated under different heat treatment temperature

3 結(jié) 語

近年來,隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,納米材料逐漸進(jìn)入大眾的視野,其獨(dú)特的性能和結(jié)構(gòu)受到人們的廣泛關(guān)注。本文通過樣品制備顯著優(yōu)化了納米氧化鋁的制備溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵器件制備。

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Experimental Study on Relative Factors of Sucrose Solution Rotation Rate

XV Qiao-ping
(College of Physics and Electronic Information,Yan’an University, Shaanxi Yan’an 716000, China)

The influence of the temperature and wavelength on sucrose solution rotation rate was investigated by controlling variable method with the existing experimental instruments and old instrument parts.

rate of optical phenomena; optical rotation rate; sucrose solution; temperature; wavelength

TQ 028

A

1671-0460（2015）09-2134-03

陜西省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目物理學(xué)，項(xiàng)目號(hào)：2012SXTS05。

2015-02-05

許巧平（1976-），女，山東聊城人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究工作。E-mail：xiaoppingxu@126.com